5-6 лаб. Лабораторная работа 5 Определение кпд ветроустановки Цель работы определение коэффициента полезного действия ветроустановки
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ- САРСЕНОВ Н Лабораторная работа №5 Определение КПД ветроустановки Цель работы: определение коэффициента полезного действия ветроустановки Теоретическая часть: В роторных ветрогенераторах воздушный поток давит на лопасти с одной стороны ветроколеса, с другой стороны расположена ширма, прикрывающая лопасти, или ребра, благодаря чему давление потока на них оказывается малым. Давление ветра на лопасти обуславливает силу, которая создает крутящий момент ветроколеса. Схема работы барабанных ветродвигателей схожа, но положение колеса в потоке воздуха у барабанных менее выгодно, чем у карусельных, так как у последних не требуется устанавливать ветроколесо по ветру; оно всегда находится в рабочем положении, с какой бы стороны ни дул ветер. У барабанных ветродвигателей, как и у крыльчатых, требуется специальное устройство для установки ветроколеса на ветер при каждом изменении его направления. По теории Жуковского об идеальном ветряке, идеальный коэффициент использования ветра идеальным пропеллером независимо от числа лопастей равен 0,53. Согласно проведенным ЦАГИ и NASA испытаниям лучшие профили лопастей дают реальный коэффициент равный 0,47, шесть процентов потерь затрачиваются на механические преобразования и погрешности профиля. Для данной лабораторной работы используется методика расчета КПД ветрогенератора исходя из его выходной мощности. В данной теории не учитываются температурные изменения и наличие неравномерностей потока воздуха. Мощность, вырабатываемая ветрогенератором равна: 3 2 2 1 V r Р где IU P - мощность, Вт; η – КПД в долях единицы; r – ометаемая площадь, м 2 ; V – скорость ветра, м/с; ρ – плотность воздуха (1,2928 кг/м 3 при нормальных условиях). Ометаемая площадь – это площадь воображаемой геометрической фигуры, которую описывают лопасти крыльчаток ветрогенераторов. На рисунке 5.1 показана ометаемая площадь двух видов крыльчаток. Рисунок 5.1 – Ометаемая площадь А- аксиальной крыльчатки; Б – роторной крыльчатки. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ- САРСЕНОВ Н Для подсчета ометаемой площади лабораторной модели ветрогенератора руководствоваться следующими данными: Н = 0,08 м; D = 0,28 м Рисунок 5.2 – Ометаемая площадь крыльчатки лабораторной ветроустановки Исходя из выражения (1) получаем конечную формулу для расчета КПД ветроустановки: 3 2 2 V r I U Используемое оборудование Модуль «Энергоблок»; Модуль «Выпрямитель и аккумулятор»; Модуль «Модуль измерительный»; Лабораторная ветроэнергоустановка; Анемометр DT-618. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Изучить теоретический материал достаточный для выполнения лабораторной работы. Получить у преподавателя допуск к проведению работы. 2. Собрать схему, представленную на рисунке 5.3. Рисунок 5.3 - схема соединений лабораторного стенда для определения КПД ветрогенератора 3. Повернуть ручку регулирования «Скорость ветра» модуль «Энергоблок» против часовой стрелки в крайнее положение (минимум). Установить тумблер SA1 в положение «0». 4. Включением автоматического выключателя «Сеть» подать питающее напряжение на лабораторный стенд. 5. Повернуть кнопку «Пуск/Стоп вентилятора» по часовой стрелке до характерного щелчка. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ- САРСЕНОВ Н 6. Включить анемометр DT-618 нажатием на кнопку POWER (позиция 1, рисунок 1.4), кнопкой «m/s» (позиция 2, рисунок 1.4) выбрать режим измерения ветрового потока в м/с. 7. Поворотом по часовой стрелке ручки «Скорость ветра» модуля «Энергоблок» задать максимальную скорость вращения вентилятора. 8. Повернув против часовой стрелки ручку сопротивления R н , установить максимальную силу тока нагрузки ветрогенератора. 9. Зафиксировать показания вольтметра (PV1), миллиамперметра (PА1) и анемометра. 10. Вывести ручку управления скоростью вентилятора в минимальное положение, нажать на кнопку «Пуск/Стоп вентилятора» до характерного щелчка, свидетельствующего о фиксации кнопки в положении «Стоп», перевести дифференциальный автомат «Сеть» в выключенное положение. 11. Исходя из полученных данных, используя формулу (2), рассчитать КПД ветроустановки, сделать вывод о факторах, влияющих на КПД ветрогенератора. 12. После оформления черновика и проверки результатов преподавателем необходимо предоставить лабораторный стенд в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту. Вопросы для самопроверки: 1. Приведите определение и формулу расчета ометаемой площади крыльчатки ветрогенератора лабораторной ветроустановки. 2. Каково значение максимально достижимого для ветрогенератора КПД по теории Жуковского? 3. Приведите формулу расчета мощности ветрогенератора. 4. К какому классу ветрогенераторов относится модель, используемая в лабораторнойветроустановке? Рекомендуемая литература: ОЛ1; ОЛ2; ОЛ3. Лабораторная работа №6 Комбинированная система электроснабжения. Автономные режимы работы Цель работы: изучение комбинированных и автономных режимов работы систем электроснабжения Теоретическая часть: Одним из самых перспективных направлений развития ветроэнергетики является частная ветроэнергетика. Даже если потребители подключены к сети централизованного электроснабжения, использование энергии ветра дает свои преимущества, такие как: экономия средств, независимость от централизованной сети, сохранение окружающей среды. В таблице 6.1 приведен список типичных для среднего частного дома, либо квартиры, электроприборов и их потребляемая мощность. Электроприборы Мощность прибора, Вт Телевизор+ DVD плеер 100 Компьютер 300 Стриальная машина 1500 Электроплита 1500 Микроволновая печь 1500 Пылесос 1300 НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ- САРСЕНОВ Н Холодильник 500 Люстра 400 Утюг 1800 Другие приборы 500 Итого: 9400 Как видно, из таблицы 6.1 суммарное электропотребление составляет около 10 кВт, однако все приборы одновременно никогда не включаются и минимально необходимое электропотребление находится на уровне 10-15 % от максимального, в вечерние зимние часы наблюдаются пики электропотребления и могут достигать до 80 % от максимального суммарного электропотребления всех приборов. Системы комбинированного электроснабжения состоят из генератора, мачты, преобразователя (контроллера), инвертора, аккумуляторной батареи и автоматической коммутирующей системы. Вращаясь ротор генератора создает трехфазный переменный ток, который подается на преобразователь (контроллер, диодный мост), затем на аккумуляторную батарею и на инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный однофазный. Если энергопотребление невелико, то сгенерированный электроэнергии достаточно для электроприборов и освещения, если энергии ветрогенератора не хватает – но недостаток покрывается за счет аккумуляторов. Если при этом и заряд аккумулятора окажется недостаточным, то потребители подключаются к сети общего пользования. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать энергию ветра экономически эффективно. С их помощью сегодня возможно не только питать индивидуальную квартиру или дом, но и поставлять электроэнергию в сеть, заключив соответствующий договор с энергокомпанией. Ветроэнергетика позволяет решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов в большом диапазоне потребляемых мощностей. На рисунке 6.1 изображена автономная система электроснабжения с аккумуляторами. Рисунок 6.1 – автономное электрообеспечение объекта На рисунке показанветрогенератор с аккумуляторами и коммутацией с сетью. АКС (автоматическая коммутирующая система) позволяет переключать электропитание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот – ветрогенератор, как резервный источник питания. В этом случае АКС переключают потребителей на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потере электропитания от электросети. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ- САРСЕНОВ Н Рисунок 6.2 – комбинированноеэлектрообеспечение объекта В зависимости от наличия и скорости ветра, а также электропотребления от приборов, возможно три вида работы системы электроснабжения комплекта. 1. Электроснабжение потребителей от сети общего пользования При этом виде системы электроснабжения все электроприборы-потребители питаются из сети, данный вид системы используется при отсутствии, либо недостаточной скорости ветра, необходимой для выхода ветрогенератора на номинальный режим работы. Аккумуляторы при данном виде системы энергоснабжения не задействуются. На лабораторном стенде вид системы электроснабжения от сети задается галетным переключателем в положении «Сеть», расположенном на модуле «Потребители» (рисунок 6.3, а). Рисунок 6.3 – вид системы электроснабжения а) – «централизованное энергоснабжение»; б) – комбинированное энергоснабжение; в) – «автономное энергоснабжение» от альтернативных источников 2. Автономное электроснабжение потребителей При достаточной скорости ветра возможно автономное снабжение электроэнергией приборов-потребителей. Также данный вид системы электроснабжения используется и при меньших значениях скорости ветра, в случаях, когда не требуется питание большого числа потребителей. На лабораторном комплекте переход системы электроснабжения в автономный режим задается галетным переключателем в положении «Автономное» (рисунок 6.3, в), расположенным на модуле «Потребители». При выполнении лабораторной работы возможно наблюдение следующих процессов распределения электроэнергии между ветрогенератором, аккумулятором и потребителями в зависимости от скорости ветра: НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ- САРСЕНОВ Н если от ветрогенератора поступает достаточное для питания потребителей количество энергии, то часть её затрачивается на заряд аккумулятора; если выработанной ветрогенератором электроэнергии недостаточно для питания потребителей, то аккумулятор отдает электроэнергию потребителям; если скорости ветра недостаточно даже для страгиванияветрогенератора, то потребители полностью получают электроэнергию от аккумулятора. 3. Комбинированная система электроснабжения (КСЭ) При данном виде системы электроснабжения потребители получают электроэнергию как от сети, так и от альтернативных источников. На лабораторном стенде этот вид системы электроснабжения задается галетным переключателем в положении «Комбинированное» (рисунок 6.3 б). В ходе выполнения лабораторной работы возможно наблюдать следующие процессы распределения электроэнергии: при увеличении скорости ветра потребление электроэнергии из сети (амперметр на передней панели модуля «Энергоблок») снижается, и при достижении скорости ветра максимального значения большая часть электроэнергии будет потребляться электроприборами от ветрогенератора; если электропотребление приборов равно энергии, вырабатываемой ветрогенератором, система переходит в автономный режим работы, при котором электроэнергия от ветрогенератора будет распределяться между потребителями, аккумулятором и при превышении электропотребления передается в сеть общего пользования; если при достаточной скорости ветра будут включены все электроприборы, то система не будет полностью автономной, часть электроэнергии будет поступать из сети, аккумулятор при этом заряжается; при снижении скорости ветра наблюдается увеличение отдачи электроэнергии потребителям из сети, при полной остановке ветрогенератора потребители полностью питаются от сети общего пользования, заряд аккумулятора не осуществляется; при исчезновении напряжения сети система переходит в автономный режим. Используемое оборудование Модуль «Энергоблок»; Модуль «Выпрямитель и аккумулятор»; Модуль «Модуль измерительный»; Лабораторная ветроэнергоустановка; Модуль «Потребители»; Анемометр DT-618. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Изучить теоретический материал достаточный для выполнения лабораторной работы. Получить у преподавателя допуск к проведению работы. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ- САРСЕНОВ Н Рисунок 6.4 – схема соединений лабораторного стенда для изучения системы энергоснабжения 2. Собранную схему предоставить для проверки преподавателю или лаборанту. 3. Повернуть ручку регулирования «Скорость ветра» против часовой стрелки в крайнее положение (минимум). Установить тумблер SA1 в положение «0». 4. Включением автоматического выключателя «Сеть» подать питающее напряжение на лабораторный стенд. Часть 1. Электроснабжение потребителей от сети общего пользования 1. Для изучения системы электроснабжения от сети общего пользования галетный переключатель, расположенный на модуле «Потребители» установить в положение «Сеть» (рисунок 6.3, а) 2. Последовательно включая тумблеры соответствующих электроприборов, расположенных на модуле «Потребители», наблюдать за показаниями амперметра «Энергопотребление» модуля «Энергоблок». Обратить внимание, что значение электропотребления увеличивается с ростом числа потребителей. 3. Отключить все электроприборы модуля соответствующими тумблерами. Часть 2. Автономное электроснабжение потребителей 1. Для изучения автономной системы электроснабжения галетный переключатель модуля «Потребители» установить в положение «Автономное» (рисунок 6.3, в) 2. Последовательно включать электроприборы модуля «Потребители» и наблюдать за показаниями амперметров и вольтметра. Обратить внимание, что при отсутствии ветра, ток потребления (миллиамперметр РА2), то есть электропитание осуществляется полностью от аккумулятора. Отключить все потребители электроэнергии. 3. Повернуть ручку кнопки «Пуск/Стоп вентилятора» по часовой стрелке до щелчка. 4. Поворотом ручки «Скорость ветра» модуля «Энергоблок» задать скорость ветра на уровне 9 м/с. Включить 2-4 потребителя (по указанию преподавателя) на модуле «Потребители». 5. Плавно увеличивая скорость ветра, наблюдать за показаниями амперметров и вольтметра. Обратить внимание, что при увеличении скорости ветра возрастает напряжение в сети, общий ток потребления остается неизменным (миллиамперметр РА3), растет ток нагрузки генератора (миллиамперметр РА1), и уменьшается ток потребления от аккумулятора (миллиамперметр РА2) и, при достаточной скорости ветра, аккумулятор перейдет в режим заряда от ветрогенератора (на что указывают отрицательные показания миллиамперметра РА2, стрелка миллиамперметра РА2 отклоняется влево). Ток заряда ограничен источником тока на уровне 120 мА. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ- САРСЕНОВ Н Часть 3. Комбинированная система электроснабжения (КСЭ) 1. Для изучения комбинированной системы электроснабжения галетный переключатель переключить в положение «Комбинированное» (рисунок 6.3, б) 2. Включить все электроприборы, расположенные на модуле «Потребители». 3. Установить скорость ветра на уровне 15 м/с. 4. Последовательно отключать приборы тумблерами модуля «Потребители» и наблюдать за показаниями амперметров и вольтметра. Обратить внимание, что при уменьшении нагрузки (количество приборов) уменьшается общий ток потребления и потребление от электросети (амперметр «Энергопотребление»), ток от ветрогенератора остается неизменным. 5. Включить 1-2 потребителя (по указаниям преподавателя) на модуле «Потребители». 6. Плавно увеличивая скорость ветра, наблюдать за показаниями амперметров. Обратить внимание, что при увеличении скорости ветра увеличивается токопотребление от ветрогенератора (миллиамперметра РА1), при достаточной скорости ветра аккумулятор переходит в режим заряда (на что указывают отрицательные показания миллиамперметра РА2, стрелка миллиамперметра РА2, отклоняется влево), при сильно разряженном аккумуляторе режим заряда наступает при меньшей скорости ветра. При дальнейшем увеличении скорости ветра уменьшается электропотребление от сети (амперметр «Энергопотребление»). При высокой скорости ветра и низкой нагрузке электроэнергия начинает перетекать в сеть общего пользования (на что указывают отрицательные показания миллиамперметра «Энергопотребление» стрелка отклоняется влево). 7. Если приуказанных преподавателем включенных электропотребителях не произошло перетекание электроэнергии в сеть, необходимо отключить несколько потребителей электроэнергии. 8. Отключить все электроприборы модуля «Потребители», разобрать схему соединений. 9. После оформления черновика и проверки результатов преподавателем необходимо предоставить лабораторный стенд в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту. Вопросы для самопроверки: 1. Какие устройства входят в систему автономного электрообеспечения? 2. Какие устройства входят в систему комбинированного электрообеспечения? 3. Какую функцию в системе автономногоэлектрообеспечения выполняет инвертор? 4. Какую функцию в системе автономногоэлектрообеспечения выполняет аккумулятор? 5. Какую функцию в системе комбинированногоэлектрообеспечения выполняет автоматическая коммутирующая система? 6. В каких режимах может функционировать комбинированная система электроснабжения? Рекомендуемая литература: ОЛ1; ОЛ2; ОЛ3. |